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        高鋰電解質(zhì)分子比變化不明顯原因探索

        2019-08-14 07:56:22王小杰
        世界有色金屬 2019年12期
        關(guān)鍵詞:氟化鈣氟化氧化鋁

        王小杰

        (陜縣恒康鋁業(yè)有限公司,河南 陜縣 472100)

        由于氧化鋁中含有微量的鋰、鉀元素,在鋁電解質(zhì)中富集,鋁電解質(zhì)中的氟化鋰含量達(dá)到8%,氟化鉀的含量達(dá)到1.5%,公司要求電解質(zhì)分子比控制在2.75~2.85,但實(shí)際控制在2.80~2.95,要求噸鋁氟化鋁單耗為28公斤,但實(shí)際氟化鋁消耗在30公斤。有時為了降低分子比加入了大量的氟化鋁,但分子比下降的不明顯,是什么原因引起的分子比變化不大呢?本文做一論述。

        1 電解生產(chǎn)過程中保持分子比不變需要添加的氟化鋁分析

        1.1 我公司的電解質(zhì)成分有以下幾種物相組成

        冰晶石(Na3AlF6)游離氟化鈣(CaF2)鈣冰晶石(NaCaAlF6)鋰鈉冰晶石(LiNa2AlF6)鉀鈉冰晶石(K2NaAlF6)游離氟化鋰(LiF)亞冰晶石(Na5Al3F14)

        1.2 氧化鋁粉中的雜質(zhì)元素含量表1。

        表1 氧化鋁雜質(zhì)含量

        1.3 噸鋁消耗的氟化鋁有兩部分組成

        一部分是雜質(zhì)元素的氧化物轉(zhuǎn)化為氟化物消耗的,用X表示;另一部分是雜質(zhì)元素相應(yīng)的氟化物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的冰晶石消耗的,用Y表示。(Z表示氟化鈉的量)

        (1)噸鋁消耗的氧化鋁粉為1920公斤,氧化鋁中的雜質(zhì)元素要與氟化鋁反應(yīng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氟化物?;瘜W(xué)反應(yīng)方程式各自為并根據(jù)質(zhì)量守恒定律計(jì)算出消耗的氟化鋁的數(shù)值(備注:62(1)是Na2O的分子量,其它數(shù)值右上角方框數(shù)字表示該物質(zhì)相應(yīng)的分子量或原子量)。

        由以上計(jì)算知,氧化鋁粉中的雜質(zhì)氧化物轉(zhuǎn)化為氟化物消耗的氟化鋁為X,X=X1+X2+X3+X4=6.94+0.54+3.99+0.36=11.83(Kg)

        1.3 2噸鋁消耗的氧化鋁粉中的雜質(zhì)元素轉(zhuǎn)化為氟化物再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)冰晶石消耗的氟化鋁為Y,化學(xué)反應(yīng)方程式各自為并根據(jù)質(zhì)量守恒定律計(jì)算出消耗的氟化鋁的數(shù)值

        由以上計(jì)算知,氧化鋁粉中的雜質(zhì)氧化物轉(zhuǎn)化為氟化物再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的冰晶石消耗的氟化鋁為Y

        Y=Y1+Y2+Y3+Y4=-1.5+0.81+11.98+0.54=11.83(Kg)

        (3)由1.3.1和1.3.2兩項(xiàng)計(jì)算,氧化鋁粉中的雜質(zhì)元素轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的冰晶石消耗的氟化鋁有X和Y 組成11.83+11.83=23.66(Kg)即噸鋁消耗的氟化鋁為23.66公斤才能保持分子比不變。

        2 分子比降低消耗的氟化鋁量

        電解質(zhì)分子比要降低需要人工添加氟化鋁,氟化鋁的添加量是多少才能是分子比降低0.1呢?現(xiàn)對這一問題做一論述。

        以1噸電解質(zhì)為例來分析:電解質(zhì)成分如下表2。

        表2 電解質(zhì)成分表

        若是分子比從2.32降為2.22,即降0.1,需要添加的氟化鋁為 :MB=2*NaF/AlF3=2*43.93/AlF3=2.22

        分子比2.22時的氟化鋁為:AlF3=2*43.93/2.22=39.58

        需要增加的氟化鋁為39.58-37.95=1.63

        即100公斤的電解質(zhì)需要添加1.63公斤的氟化鋁才能是分子比從2.32降低0.1為2.22,那么1噸電解質(zhì)需要添加16.3公斤的氟化鋁.

        3 實(shí)際生產(chǎn)分析

        (1)我公司電解槽介紹:400KA大型預(yù)焙電解槽,每臺槽產(chǎn)鋁3噸,電解質(zhì)為10噸。

        (2)維持分子比不變需添加的氟化鋁為3×23.66=70.98(Kg),若是分子比從2.32降低0.1為2.22,另需要添加氟化鋁為10×16.3=163(Kg),兩者相加為70.98+163=233.98(Kg)

        4 X衍射儀測定電解質(zhì)分子比在3時變化不明顯的原因分析

        X衍射儀分析原理是測定電解質(zhì)中的亞冰晶石含量和鈣鈉冰晶石含量,通過公式計(jì)算出的分子比。

        由于我公司使用的電解質(zhì)基本上是中性,電解質(zhì)中含的亞冰晶石量很低,含有大量的冰晶石、游離氟化鈣、游離氟化鋰、鋰鈉冰晶石、鉀鈉冰晶石等,加入的氟化鋁,除了與氧化鋁粉中帶入的鈉、鈣、鋰、鉀等氧化物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氟化物,多余的氟化鋁轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的冰晶石,再多余的氟化鋁才與電解質(zhì)中游離的氟化鈣、氟化鋰反應(yīng)生成相應(yīng)的冰晶石,當(dāng)電解質(zhì)中的游離氟化鈣(6.26%)、氟化鋰(5.23%)消耗完了,氟化鋁才會與冰晶石反應(yīng)生產(chǎn)亞冰晶石。

        1噸電解質(zhì)把游離的氟化鈣、氟化鋰消耗完需要添加的氟化鋁量為:

        M=M1+M2=69.19+168.97=238.16

        M1和M2的數(shù)值有(9)、(10)化學(xué)方程式計(jì)算得到。

        游離氟化鈣與加入的氟化鋁化學(xué)反應(yīng)方程式為(9)消耗的氟化鋁為M1

        有質(zhì)量守恒定律得出

        M1=6.26%*1000*84/76=69.19

        游離氟化鋰與加入的氟化鋁化學(xué)反應(yīng)方程式為(10)消耗的氟化鋁為M2

        有質(zhì)量守恒定律得出

        M1=5.23%*1000*84/26=168.97

        有以上計(jì)算可知,1噸電解質(zhì)把其中的游離氟化鈣和游離氟化鋰轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的鈉冰晶石需要消耗的氟化鋁量為238.16公斤。若對一臺含有10噸電解質(zhì)每天產(chǎn)鋁為3噸的電解槽來說,保持分子比不變需添加70.98公斤的氟化鋁,但使電解質(zhì)成分明顯改變需一次添加2381.6公斤的氟化鋁,才能是電解質(zhì)由中性變?yōu)槿跛嵝?,每天添加氟化鋁量為70.98公斤為保持分子比不變的平衡點(diǎn),如低于70.98公斤,電解質(zhì)逐漸變堿性,若大于70.98公斤,電解質(zhì)逐漸變酸性,如每天加入100公斤,即超過平衡點(diǎn)多加了29.02公斤,(2381.6/29.02=82天)82天以后分子比才會明顯變化。主要原因是把10噸電解質(zhì)中的游離氟化鈣和游離氟化鋰慢慢轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的鈉冰晶石。

        5 一個新概念的提出:惰性電解質(zhì)體系

        定義:加入一定量的氟化鋁,分子比數(shù)值基本不變的電解質(zhì)體系。

        我公司的電解質(zhì)體系穩(wěn)定不變的原因是有:游離氟化鈣(CaF2)—鈣冰晶石(NaCaAlF6)鋰鈉冰晶石(LiNa2AlF6)—游離氟化鋰(LiF)之間的相互轉(zhuǎn)化,加入的氟化鋁多了,游離氟化鈣和游離氟化鋰轉(zhuǎn)換為鈣冰晶石和鋰鈉冰晶石,反之鈣冰晶石和鋰鈉冰晶石轉(zhuǎn)換為游離氟化鈣和游離氟化鋰,電解質(zhì)的其它成分變化不大。

        6 結(jié)束語

        本文用數(shù)據(jù)論述了含有鋰、鉀元素的鋁電解質(zhì)的分子比變化不明顯的有關(guān)情況,找到了引起分子比變化不明顯的原因是電解質(zhì)中游離氟化鈣(CaF2)—鈣冰晶石(NaCaAlF6)、鋰鈉冰晶石(LiNa2AlF6)—游離氟化鋰(LiF)之間的相互轉(zhuǎn)化,并提出了一個惰性電解質(zhì)體系的新概念。如何用衍射儀測定含有鋰、鉀元素的鋁電解質(zhì)的分子比特別是中性點(diǎn)附近的分子比數(shù)值的準(zhǔn)確性是任重而道遠(yuǎn)的研究課題。

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